激光诱导等离子体光谱仪实验装置的构建

２０１０年第４期

分析仪器

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；仪器研制与改进：

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激光诱导等离子体光谱仪实验装置的构建

徐国伟１

鲁先洋２

费

腾２

杜学维３

王声波２

王秋平３

（１．中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，合肥，２３００２７，２．中国科学技术大学物理系，合肥，２３００２６ｉ

３．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥，２３００２９）

摘要激光诱导等离子体光谱仪是一种具有实时在线、非接触、多元素同时探测等优点的分析仪器。它无需制备样品，是钢铁冶炼中在线元素快速检测的仪器之一。本文将线阵ＣＣＤ放置于罗兰圆上，搭建了一台紫外波段的激光诱导等离子体光谱仪实验装置，光谱分辨率达０．１ｎｍ，覆盖的光谱波段为２３５～２６０ｎｍ，主要用于检测钢铁材料中的Ｃ元素。实验结果表明，该系统的搭建是成功的。

关键词

激光诱导等离子体光谱仪

罗兰圆

波长标定

钢铁冶炼

碳元素

１

前言

仪要求具有较高的光谱分辨率。目前此类光谱仪器都是由国外制造的，价格昂贵［２咱］。

本文在凹面光栅的罗兰圆上安装线阵ＣＣＤ，搭建了一台可用于ＬＩＰＳ实验的紫外光谱仪系统，并完成了波长标定。利用该系统进行了钢铁样品中Ｃ元素的光谱检测［６］。

激光诱导等离子体光谱技术（ＬＩＰＳ）是将脉冲激光束通过透镜聚焦成一个很小的光斑，照射到样品表面上，当激光强度超过材料烧蚀极限时，样品上方就会瞬间形成等离子体。处于激发态的离子从高能态跃迁到低能态，发射出具有特定波长的光子。通过收光系统将光信号耦合进光谱仪，进行光谱信号分析。通过灵敏的光谱仪探测并分析辐射光谱，就能得到有关材料中元素的种类（通过辐射谱的波长确定）及其浓度（通过辐射谱峰值的强度与已知谱线强度比对确定）信息口ｊ。

常用的光谱仪主要有中阶梯光栅光谱仪、Ｃ—Ｔ型光谱仪、多道光谱仪等。激光诱导等离子体光谱

２实验装置的搭建

图１是激光诱导等离子体光谱仪实验装置框图［７］。Ｎｄ：ＹＡＧ被动调Ｑ固体激光器（波长１０６４ｒｉｍ，单脉冲能量５０～４００ｍＪ，脉宽１０ｎｓ，频率ｌ～１０Ｈｚ）发出的激光经聚焦透镜（有效通光口径Ｄ一２０ｍｍ，焦距２００ｒｍｎ）聚焦，在样品表面形成等离子体。样品置于可调节的支架台上，为增加光通量，光纤头接耦合透

图１ＬＩＰＳ可控延迟时间实验装置框图

作者简介：徐国伟，男，１９８４年出生，硕士，研究方向：光栅光谱仪研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕｏｗｅｉ＠ｍｉａｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ

通讯作者：王秋平，教授。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｕｐｉｎ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ．

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（镜焦距ｌＯｍｍ），由光纤（芯径５００肛ｍ，数值孔径０．２２，波长范围２００～８００ｎｍ）传输光信号。

数字延迟脉冲发生器（ＧＨ０２４）发送一个触发脉冲给激光器，使激光器开始工作，延迟一定时间后再发送一个触发脉冲给光谱仪，使其进行图像采集，

我们起初利用ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ￥２０００光谱仪进行实验。￥２０００的基本参数为：光谱分辨率２ｎｍ，波长范围２００～８００ｎｍ，固定积分时间４．４ｍｓ，通过外触发精确控制延迟时间。图２是利用￥２０００获得的４５号钢样品的谱线。从图中可以看出，由于谱仪光谱分辨率低，无法分辨Ｃ元素２４７．８５ｎｍ和Ｆ爨元素２４８．３２ｎｍ的谱线。

最终探测器接收到的谱线信息被输入计算机，由

ＳｐｅｃＬｉｎｅ软件进行谱线识别［８叫…。

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波长（ｎｍ）

图２Ｓ２０００测得的４５＃钢样品２００～８５０ｎｍ谱线

为了分开Ｃ２４７．８５ｎｍ和Ｆｅ２４８．３２ｎｍ的谱线，我们设计制造了一台基于罗兰圆的光谱仪，光谱分辨率达到０．１ｎｍ，波长范围２３５～２６０ｒｉｍ，可以满足检测铁和钢中Ｃ元素的要求ｍ’１

３

２｜。

阵ＣＣＤ作为探测器，记录某一特定波长及附近的光谱，实现一定范围内高分辨率的光谱探测。通过精确放置多块线阵ＣＣＤ，可以实现分光系统的全波段光谱探测。

图３是我们搭建的高分辨率光谱仪的光学原理

。

ｌ型。

光学系统

凹面光栅不仅有色散作用，而且兼具聚焦能力。

在凹面光栅分光成像系统中，存在一个以凹球面的曲率半径为直径并与光栅极点相切的圆，称为罗兰圆。将入射狭缝放在罗兰圆上并使狭缝与光栅刻线平行，从入射狭缝进入的白光经光栅衍射后产生各种波长的谱线，这些谱线能在子午线方向汇聚于同一罗兰圆的不同位置上。

在罗兰圆分光系统中，可以通过光电探测器（如光电倍增管）沿着罗兰圆移动进行波长扫描，实现光谱扫描；也可以根据元素的特征波长值，在罗兰圆上的不同位置分别精确放置多个探测器，实现多波长（元素）同时探测。现在广泛使用的光电直读多道光谱仪就是这种工作模式。

本文根据光电直读多道光谱仪的原理，采用线

图３

ＣＣＤ光谱仪光学原理图

入射狭缝位于罗兰圆上，光信号经过入射狭缝，照射到凹球面光栅表面，经过光栅分光，不同波长的

９）７（

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光线以不同的衍射角聚焦到罗兰圆上。在与罗兰圆相切的位置放置一个线阵ＣＣＤ，用以接收光谱信号。通过数据采集卡将光谱信号传人计算机，由ＣＣＤ采集软件读取光谱信息。

系统采用全息凹球面光栅，半径Ｒ一４００ｍｍ，线密度扎一２４００线／ｍｍ；入射狭缝宽度ｔ１—０．０７５ｍｍ。用ＴｏｓｈｉｂａＴＣＤｌ３０４ＤＧ线阵ＣＣＤ作为光信号探测器，象素数１×３６４８，象素尺寸８Ｆｍ×２００肛ｍ，工作波段３５０～８００ｎｍ。

由于要求能够探测到波长２４７．８５ｎｍ的Ｃ元素谱线，但ＣＣＤ短波受限于ＣＣＤ表面覆盖的玻璃片的截止波长（ＢＫ７，透过短波波长约为３２０ｎｍ），所以除去表面的玻璃片，使ＣＣＤ的波长探测范围扩展到２００ｎｍ左右，以满足实验要求。

在凹面光栅分光系统中，如果入射狭缝、光栅和探测器在罗兰圆上，光谱仪的像差小，可以实现最好的光谱分辨。将线阵ＣＣＤ放置在罗兰圆附近，使其感光面上中间部分的一点与罗兰圆相切。这样在ＣＣＤ整个长度范围内与罗兰圆相切处光谱分辨率最好。其他位于切点两侧的部分，虽然与罗兰圆存在位置误差，但在小范围内离焦量很小，可以满足光谱分辨的要求。

在实验中，我们最关心的是波长２４７．８５ｎｍ（Ｃ元素）的谱线。取入射角口一４９．４１。，对应于罗兰圆上口一一９．４７。的位置。通过多次调试，使ＣＣＤ与这一点相切，以实现波长２４７．８５ｎｍ附近光谱分辨率的最优化。

影响光谱仪分辨率的主要因素有四个：光栅理论分辨率厶Ｄ、像差厶Ａ、入射狭缝出，和出射狭缝厶：（本系统的出射狭缝宽度ｔ。相当于ＣＣＤ单个象元宽度０．００８ｍｍ）。在本系统中，ＣＣＤ与罗兰圆并不完全重合，由于存在离焦，导致像差项厶Ａ对分辨率的影响最大。光学系统的 …… 此处隐藏：4160字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……